El origen de las partículas ultrarrápidas que llegan a la Tierra en forma de rayos cósmicos no es el que creíamos
La Tierra registra constantemente la llegada de rayos cósmicos, partículas subatómicas que vienen del espacio y que entran al planeta a una velocidad enorme, cercana a la de la luz. A veces, estas partículas llegan en línea recta, como disparos directos. Otras, aparecen en los sensores como si fueran una lluvia caótica. Son millones de veces más energéticas que las partículas producidas por los aceleradores artificiales en la Tierra. Comprender de su comportamiento es vital para las telecomunicaciones.
Los astrónomos proponen que solo eventos extremadamente violentos, como supernovas, agujeros negros o estrellas de neutrones, pueden expulsar partículas a esa velocidad. Hay evidencia que respalda esta idea, como los jets relativistas, gigantescos chorros de materia disparados desde los discos de acreción de objetos como los mencionados.
Aunque esto da una idea clara sobre el origen de los rayos cósmicos, la ciencia aún debe definir qué hace que las partículas adquieran tanta energía al ser disparadas a través del cosmos. Hasta ahora, la intuición de los científicos sugería que es la propia explosión lo que las acelera tanto (como los restos disparados de una bomba al explotar), un concepto que recibe el nombre de aceleración por choque. Sin embargo, un reciente estudio del astrofísico Luca Comisso de la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, propone que la gran energía de los rayos cósmicos surge de la torsión de los campos magnéticos de estos objetos.
El «Telescope Array» en el desierto occidental de Utah captó una rara partícula con una energía de 244 electronvoltios.
Torsión magnética y disparos de partículas ultra energéticas
Para imaginar el fenómeno de la turbulencia magnética basta con observar la situación actual del Sol. Durante todo 2024, hubo tormentas solares importantes que desembocaron en auroras boreales en casi todo el mundo. El viento solar llegó a la Tierra con mayor energía debido al final del ciclo solar 24. En este proceso natural, la polaridad del Sol cambia y los campos magnéticos se enredan y tensan como ligas. Eventualmente, estas líneas magnéticas se reorganizan y liberan la energía acumulada. Esto produce erupciones solares, eyecciones de masa coronal y, por último, la expulsión de partículas cargadas que pueden llegar a la atmósfera de la Tierra.
La formación de agujeros negros, supernovas o estrellas de neutrones son eventos mucho más potentes que cualquier comportamiento de nuestro Sol. Según el trabajo de Luca Comisso, publicado en The Astrophysical Journal Letters, las torsiones magnéticas de estos fenómenos violentos son las que dotan de energía a las partículas que viajan por el espacio como rayos cósmicos.
La diferencia de energía entre los rayos cósmicos y las partículas cargadas del Sol es abismal. Las partículas que provienen de agujeros negros o supernovas alcanzan energías medidas en teraelectronvoltios, mientras que el viento solar generalmente se mide en kiloelectronvoltios. La Universidad de Columbia compara esta diferencia con poner frente a frente un grano de arroz y el avión de pasajeros más grande del mundo.
El equipo de Comisso utilizó simulaciones cinéticas de partículas para encontrar el tipo de interacción que coincidiera con el comportamiento observado. “Un mecanismo prometedor de aceleración de rayos cósmicos de ultra alta energía es la turbulencia magnetizada. Demostramos, a partir de primeros principios, que la turbulencia dominada magnéticamente acelera las partículas en un corto período de tiempo, produciendo una distribución de energía de ley de potencia con un corte dependiente de la rigidez y nítidamente definido», dice el reporte.
La comprensión de las partículas de ultra alta energía es fundamental para el desarrollo de la tecnología en la Tierra. Satélites y naves podrían verse afectadas si, de pronto, recibieran un disparo desde alguna parte remota del espacio. Luca Comisso ha pasado los últimos años explorando los mecanismos que originan estos rayos, tanto en el Sol, como ahora en agujeros negros y estrellas de neutrones.